Введение к работе
Актуальность темы. Для решения научных и прикладных задач, связанных с исследованием движения наносов, изучением процессов размыва к заносююсти у гидротехнических сооружений важное значение имоет понимание процессов начальной стадии движения наносов. Эта проблема является одной из ключевых в комплексе литодикамических исследований, поскольку в той или иной степени присутствует практически во всех задачах, связанных с гидрогенным перемещением наносов в качестве пороговой характеристики, определяющей начало всех процессов. Ее исследованию учеными и инжекерами-гидротехниками, начиная с восемнадцатого века, традиционно уделялосі существенное внимание. Наработан значительный объем экспериментальных ш натурных исследований, Среди большого количества работ, посвященных изучению начальной стадии движения наносов следует отметить труда Гончарова, Ннороза, Волкова, Нирцхулавы, Шильдса, Бонфиля, Чена, Сварта, Слита и другие. Эти исследования позволили создать определенную систему представлений о причинах и механизме отрыва частиц, разработать расчетные зависимости, описывающие критические условия начала движения наносов.
Однако ряд эффектов, связанных с особенностями отрыва частиц и начальной стадии даикения наносов, отмечавшихся в лабораторных а натурных экспериментах, не мог найти адекватного теоретического объяснения. Такое положение приводило к необходимости использовать для решения практических задач- эмпирические расчетные зависимости, имеющие ограниченное применение, а с другой стороны стимулировало развитие как экспериментальных', так я теоретических работ направленных на изучение гидродинамики донного.контактного слоя и мехашжн начальной стадии движения наносов. Тем не менее, несмотря на значительные усилия, прилагаемые исследователями разных школ и направлений, до последнего времени это не приводило к заметному измененив взглядов на механику донных наносов по сравнении с классическими представлениями. Лишь в последние года, с появлением! работ, рассматривающих явления, обусловленные проницаемостью дна, и особенности пргдонного слоя потока, связанные с существованием в нем когерентных структур, появилась возможность по-новому взглянуть на процессы отрыва и перемещения частиц.
Цель работе заключается в том, чтобы во-первых, разработать пакет зашсшостей для расчета условий начала чвяжения ваносов, базирую<цихсн на амяирических зависимостях и применимый 'в достаточно широком диапазоне изменения параметров среды и методику их использования в поступательном, волновом и смешанном потоках, Во-Бторнх, построить физическую и математическую модели начальной стадии движения наносов, базирующихся на новых аксггерименталлнык данных да особенностям турбулетной структуры придонного слоя потока и механики донных накосов. Для достижения этих целей решались следующие задачи:
і. Анализ моделей начально» стадии движения наносов в водных штоках и факторов, влияющих на условия отрыва частиц.
-
Исследование турбулентной структури придонного елся поступательного и волнового потоков с учетом проницаемости дна и суи^ствования в нем взрывных явлений.
-
Разработка физической модели начальной стадии движения наносов, связывающей отрыв частиц с действием когерентных, структур и фильтрационными явлениями в поверхностном слое грунта.
-
Разработка математических .моделей начальной стадии движения наносов и их проверка по результатам экспериментов.
-
Разработка основ вероятностных моделей начала двикания наносов, базнруюцшеен на новых математических моделях, и учитывающих влияние неоднородности их гранулометрического состава.
6. Исследование особенностей механики дошшх наносов,
следующих из разработанных моделей начальной стадні! движения
наносов.
?, іі'ализ существующих расчетных формул и разработка оптимального пакета расчетных зависимостей, применимого для поступательного, ьолнового и смешанного потоков.
Научная новизна работы, в ходе работ над диссергалией были разработаны новая расчетная формула для определения критических условий начала движения наносов к алгоритм ее применения в потоках различного тина. Разработаны новые физические и математические модели начальной стадии движения наносов, связывающие отрыв частиц о действием- когерентных структур и " учитыьащиа влияние проницаемости поверхностного слоя грунта." Разработаны основы новых Вероятностных моде лак отрыва частин. Использование зтих у.оделей нашита раскрыть рад особенностей гіачальной стадии движения заносов, нз имевших ранее адекватного теоретического объяснения.
- З1 ~
Достоверность научных положений, оценок и выводов, приведение в диссертации, подтверждается результатами ряда натурных и лабораторных экспериментов. Достоверность расчетной зависимости и алгоритма ее использования подтвервдена результатами обсуадений и экспертизы, выполненными в ходе подготовки нормативных документов.
ІШІШШШЙ. ШШШШі. В диссертации широко использованы материалы, опубликованные б отечественных и зарубекных источниках. Выполнена обработка результатов экспериментов, проводившихся с участием автора в Гидрофизической лаборатории МГУ, а также опытов, выполненных Н. А. Михайловой в лаборатории русловых процессов АН СССР . Привлекались результаты собственных натурных наблюдений за перемещением накосов на горных реках Таджикистана, полученные в ходе экспедиционных работ физического факультета МГУ, натурных исследований и лабораторного моделирования процессов-перемещения наносов а береговой зонт моря, проводившихся в 1981 - 1991 годах в ходе научно - исследовательских и проектно - изыскательских работ НПО "Моринжгеология".
Поэтическое значение 2а0отн обуславливается возможностью использования разработанных в диссертаций новых физических, математических е вероятностных моделей начальной стадии движения накосов для решения научных и прикладных задач, использованием новой расчетной зависимости jpw проведении научно-исследовательских и проектно-изыскятельских работ на шельфе.
Материалы диссертации использовались при разработке Пособия к ВСН 51.2 - 84 "Инженерные изыскания на континентальном шельфе". Материалы, основные положения.и вывода, изложенные з диссертации использовались з научно-исследовательских и изыскательских отчетах НИИморгео ж НПО "Моринктеология",
Личный вклад автора. Основные положения и выводы диссертации, з том числе расчетная зависимость и модели, объясняющие причиы* отрыва наносов и описывающие начальную стядаю их движения, получены самостоятельно, автор пршпшала личное участие в перечисленных зыше исследованиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Ломоносовских чтениях в МГУ, на семинаре "Техника лабораторного эксперимента и вопроси моделирования з литодкнамячееккх процессах1' рабочей .группы ".Яигодин'шика океана" Кошсскл по проблемам ЧироБого океана АН
~ <1~ СССР г.Сочи, І984г. : Третьем Всесоюзном симпозиуме по литодинамике океана, г. Москва, 1985; Всесоюзной конференции "Береговые процессы на водохранилищах и морях", г.Новосибирск, 1991; научных конференциях ВНИИморгео, колоквиумах Отдела литодошамики океана и Лаборатории шельфа ИОАН.
Структура и обьэм работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и - списка литературы. Во введении определяются цели исследования, обосновывается его актуальность, В 'Первой главе рассматривается современное состояние исследований турбулентной структуры придонного слоя потока, сил, действующих на частицы, расположенные на поверхности дна ш факторов, влияющих на начало движения наносов. Приводится анализ различных моделей отрыва частиц и расчетных зависимостей, используемых для оценки начальной стадии движения наносов в поступательном, волновом к смешанном потоках. Во второй главе рассматриваются особенности гидродинамики придонного слоя потока, обусловленные действием когерентных структур и связашшх с ними фильтрационных потоков. На основании исследования этих особенностей разрабатывается новая физическая моделї начальной стадии движения наносов, Третья глава посвящена созданию математических и вероятностных моделей отрыва частиц. В ней рассматриваются методика й результаты экспериментальных исследований начальной стадии движения наносов, разрабатываются модель циркуляции жидкости в зоне действия когерентной структуры и математические модели отрыва частиц под действием фильтрационного взвешивания. и опрокидывания, производится сопоставление расчетных оценок с данными экспериментальных наблюдений, исследуются вероятностные аспекты начала движения наносов и особенности начальной стадии движения, следующие из рассмотренных моделей. В- четвертой главе приводятся результаты разработки нозой расчетной зависимости и методики ее применения для решения практических задач в потоках различного типа. і В заключении приводятся ' основные выводы по исследованию начальной стадии движения накосов в водных потоках, разработке физических и математических моделей и расчетных зависимостей. Диссертация изложена на 180 станицах машинописного текстг., включает 45 рисунков и 5 таблиц, список используемой литературы содераит 15? наименований.
Автор выражает глубокую признательность научным руководителям к. ф. - м. к. старшему научному сотруднику С.М. Анцыфзраву и
д. г. н. профессору В. В.Лонгинову за помощь, оказанную в процессе работы над диссертацией, и к. ф. - и. я. Н.В. Пыхову за ряд ценных советов и критических замечаний при подготовке и обсуждении диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
